Weltmaschine" auf. Michael Kobel Institut für f r Kern- und Teilchenphysik, TU Dresden Colloq Chemnitz

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1 Der Large Hadron Collider - Die "Weltmaschine" Weltmaschine" auf der Suche nach den grundlegenden Symmetrien Michael Kobel Institut für f r Kern- und Teilchenphysik, TU Dresden Colloq Chemnitz ) Symmetriekonzepte 2) Fundamentale Bausteine und Kräfte 3) Der Large Hadron Collider 4) Die Ziele der Teilchenphysik 5) Symmetrien der Teilchenphysik - Flavor- Symmetrie Ordnung der Teilchen - Lokale Eichsymmetrie Ursache der Kräfte - Spontane Symmetriebrechung Was ist Masse? - Teilchen-Antiteilchen Symmetrie Wo ist die Antimaterie? - Supersymmetrie Was ist Dunkle Materie? Die Liebe ist die Tochter der Erkenntnis: die Liebe ist umso glühender, je tiefer die Erkenntnis ist. (Leonardo da Vinci)

2 1) Symmetriekonzepte Mathematische Symmetrien (Hermann Weyl) Werkzeugkiste: Transformationsgruppen Dreieck Drehung Dreieck R.P. Feynman: Ein Objekt heißt symmetrisch, wenn man mit ihm etwas anstellen kann, ohne es am Ende, wenn man fertig ist mit der Prozedur, geändert zu haben.

3 Symmetrien in der Kunst M.C. Escher: Translation Translation& Farbänderung Drehung (3-zählig) Drehung (3-zählig) & Farbänderung Drehung (6-zählig) & Farbänderung

4 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Symmetrien in in der Philosophie Elemente und Kräfte: v.chr. Empedokles Vier Elemente: Feuer, Wasser, Erde, Luft Zwei Urkräfte: Liebe, Haß Mischung, Trennung Symmetrien: v.chr. Platon Symmetrische Körper: Schönheit der Gesetze Kleinste Bausteine: v.chr. Demokrit Atome: verschiedene Formen und Gewichte Leere: Verbindung und Bewegung im Nichts

5 Michael Kobel Colloquium Chemnitz ) Fundamentale Bausteine und Kräfte 1/ /10 1/ /10 1/1.000 > 10-9 m m m m <10-18 < 0,01 m m Kristall Molekül Atom Atomkern Proton Quark 4 Fundamentale Bausteine der Materie (punktförmig) Zwei Quarks : zu Protonen und Neutronen gebunden Down: d Up: u Zwei Leptonen : Elektron e: gebunden in Atomhülle Elektron Neutrino ν: ungebunden, entsteht in Kernprozessen (Sonne, Radioakt.) Welche Kräfte wirken zwischen den Bausteinen?

6 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Die fundamentalen Wechselwirkungen 4 fundamentale Kräfte Elektromagnetismus direkt erfahrbar Basis für (fast) alles Starke Kraft nicht direkt erfahrbar Bindet Quarks + Kerne Schwache Kraft nicht direkt erfahrbar Kernumwandlungen (Brennen der Sterne) Schwerkraft direkt erfahrbar irrelevant für Teilchen

7 3) Der Large Hadron Collider LHC am CERN Michael Kobel Colloquium Chemnitz ~8 km CERN Hauptgelände SPS Beschleuniger CERN- Prevessin Frankreich Schweiz LHC Beschleuniger (etwa 100m unter der Erde)

8 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Der ATLAS Detektor im Aufbau Beginn 2004

9 Der ATLAS Detektor im Aufbau Michael Kobel Colloquium Chemnitz Absenkung und Montage der Muon-Toroid Magnetspulen

10 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Der ATLAS Detektor 2007/08 Montage des Spurkammersystemes Und der Kalorimeter

11 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Der ATLAS Detektor 2008 Letzter Schritt: Installation der Muon- Endkappen

12 Michael Kobel Colloquium Chemnitz LHC Energie Gespeicherte Energie der beiden Protonenstrahlen: 2 x 350 MJ Wie 240 Elefanten auf Kollisionskurs 120 Elefanten mit 40 km/h 120 Elefanten mit 40 km/h Protonenergie: 7 TeV Die Energie eines einzelnen Protons entspricht der einer Mücke im Anflug Nadelöhr: 0.3 mm Durchmesser Protonstrahlen am Kollisionspunkt: 0.03 mm Durchmesser

13 Bilder vom LHC CERN visit - Introduction page 10 Michael Kobel Colloquium Chemnitz

14 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Dipole pro Woche installiert Magneteinbau beendet: Anfang 2008 Erster Strahl: Zwischenfall während Test des letzten Sektors bei 8000 A Start des LHC Projekts 2008

15 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Zwischenfall Neustart im November 2009 Supraleitung bei -271 o C ohne Widerstand und Wärme Eine von ~10000 Verbindungen hatte winzigen Widerstand Wird normalleitend Lichtbogen Schmilzt Hülle des Heliumtanks 6t Helium verdampfen in < 1 sec Druckwelle zerstört oder verschiebt Magnete auf mehrere 100m Länge

16 4) Ziele der Teilchenphysik Michael Kobel Colloquium Chemnitz Warum?

17 Raum Zeit Materie Michael Kobel Colloquium Chemnitz ENERGIE ist der Schlüssel

18 Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel Colloquium Chemnitz

19 Gemeinsame Wurzeln S S S S S LHC: Nachstellen der Prozesse zwischen Elementarteilchen Teilchenbeschleuniger: LHC LEP s nach dem Urknall Geschichte der Physik Zurück zum Urknall Michael Kobel Colloquium Chemnitz

20 6) Bedeutung von Symmetrien Michael Kobel Colloquium Chemnitz Noether Theorem: Symmetrie Erhaltungsgröße Physikalische Gesetze unabhängig von... Emmi Noether ( ) Verschiebung der Zeitachse Erhaltung der Energie Verschiebung der Raumachsen Erhaltung des Impulses Drehung der Raumachsen Erhaltung des Drehimpulses

21 Michael Kobel Colloquium Chemnitz ) Die Flavor Symmetrie Ergebnis der Untersuchung kleinster Strukturen: Protonen und Neutronen bestehen aus 3 Quarks d: Q= - 1/3, down - flavor u: Q = +2/3, up - flavor 1 fm fast gleiche Massen m p = 938,3 MeV m n =939,6 MeV genau gleiche Eigenschaften bzgl. starker Wechselwirkung Ordnungsprinzip Vertauschungs-Symmetrie von 2 Quark-Flavors (u d )

22 Michael Kobel Colloquium Chemnitz weitere Flavors Die Brechung der Flavor-Symmetrie s: Q= - 1/3, strange - flavor c: Q= + 2/3, charm - flavor Symmetriebrechung: m s, m c»m d, m u

23 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Gell-Mann 1964: Vorhersage des Ω 1964:Gerson Goldhaber, Bryce Sheldon, Alex Fireston, David Lissauer, Jane Allardt Nachweis in Hand-vermessenen Blasenkammeraufnahmen

24 und noch eine dritte Familie! Michael Kobel Colloquium Chemnitz : TeVatron, FNAL,Chicago Entdeckung des Top Quarks Masse: 173 GeV! ~ 0, ~ 0, ~ 0, , , Scientific American, 1997 Masse in MeV bzw. in Tonnen

25 Alle Bausteine und Wechselwirkungen Michael Kobel Colloquium Chemnitz Warum 3 Familien? Warum jeweils diese Wechselwirkungen ( Kräfte )?

26 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Vorher zu klären ren Wie funktionieren Kräfte und Wechselwirkungen?

27 Prinzip von Kraftwirkungen Michael Kobel Colloquium Chemnitz Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend /unischule/baust/bs_6fram_lv123.html

28 Fundamentale Kräfte Michael Kobel Colloquium Chemnitz Jede Kraft (Wechselwirkung) hat eigene Botenteilchen Boten nur sendbar, wenn entsprechende Ladung vorhanden Kraft Starke Kernkraft Botenteilchen Gluonen g Ladung der Materieteilchen Starke Farb -Ladung Rot, Blau, Grün Schwache Kraft Elektromagnetismus Weakonen (W +,W -,Z) Photonen γ Schwache Isospin -Ladung I 3W = + 1/2 1/2 Elektrische Ladung ν Q = -1, + ⅔, -⅓, e Schwerkraft Gravitonen? Masse?

29 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Was ist Ladung? Ladung ist kein Stoff! beschreibt die Sensitivität von Teilchen bezüglich der jeweiligen Wechselwirkung Eigenschaften: Ladungen sind Additiv Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladung vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren

30 Antimaterie Michael Kobel Colloquium Chemnitz Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Vorzeichen von allen Ladungen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sie sich paarweise wieder zu Botenteilchen ( Energie ) vernichten

31 Michael Kobel Colloquium Chemnitz ) Die Eichsymmetrien im Standardmodell Erkenntnis : Ladungen beschreiben Sensitivität von Teilchen bzgl. bestimmter Umeichungen Ladungserhaltung folgt aus Invarianz bezüglich dieser Umeichungen ( Eichsymmetrie ) Umeichungen sind sogar lokal (an jedem Ort und zu jeder Zeit anders) möglich Die lokale Eichsymmetrie wird durch Aufnahme oder Abgabe von Eichteilchen garantiert Diese Eichteilchen sind die Botenteilchen der Wechselwirkungen?

32 Das Problem der Nomenklatur Michael Kobel Colloquium Chemnitz

33 Lokale Umeichungen anschaulich Michael Kobel Colloquium Chemnitz Irgendwo Woanders Eichung: Eichung:

34 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Umeichung im Elektromagnetismus U(1) Q e 1927: Dirac, Jordan, Heisenberg, Pauli, Nullpunktseichung der Phase Nullpunktseichung der Phase Ergebnis: Fundamentalprozess ( Vertex ) Aufnahme oder Abgabe eines Eichbosons (Photon γ)

35 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Die schwache Eichsymmetrie SU(2) 1961 S.Glashow: Eichung der schwachen Ladung I 3 I 2 I 1 Neutrino: I 3 = ½ Elektron: I 3 = -½ Up-Quark: I 3 = ½ Down-Quark: I 3 = -½ Idee: (ν, e) und (u, d) unterscheiden sich nur durch die Richtung eines Pfeils (schwache Ladung I w ) lokale Umeichung I 3 ν W + I 2 I 1 I 2 I 1 I 3 e

36 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Die starke Eichsymmetrie SU(3) c 1973: Gross, Politzer, Wilczek, Nambu, Fritzsch starke WW durch Umeichung der Farbladung

37 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Why are all the theories of interactions so similar in their structure? There are a number of possibilities: The first is the limited imagination of physicists: When we see a new phenomenon, we try to fit it in the framework we already have until we have made enough experiments we don t know that it doesn t work It s s because physicists have only been able to think of the same damn thing, over and over again. Another possibility is that it is the same damn thing over and over again that Nature has only one way of doing things, and She repeats her story from time to time. A third possibility is that things look similar because they are aspects of the same thing some larger picture underneath Richard. P. Feynman, The strange theory of light and matter Princeton University Press, 1985 Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie Piper Taschenbuch, 9,95

38 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Eindeutige Vorhersagen Ursache jeder Wechselwirkung: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen Vertices Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Zeit z.b. Beta zerfall des Neutrons Anm: Pfeilrichtung symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts

39 Michael Kobel Colloquium Chemnitz Massen in der schwachen Wechselwirkung Unter Benützung experimenteller Teilchenmassen beschreibt Theorie der schwachen Kraft alles, z.b. langsames Brennen der Sonne p + p D + e + + ν (Energiegewinn: ΔE = 0,5 MeV) Masse des Zwischenzustands m W = MeV Rate unterdrückt um ~ (ΔE / m W ) 4 > Erhaltung Fundamentales Problem (MeV) m W m Z m e 0,5 0 m t Experim Theorie Grund: schwache Eichsymmetrie 0

40 6.3) Spontane Symmetriebrechung Symmetrien erfordern masselose Teilchen Erhalten Masse erst ~ sec nach Urknall durch spontane Symmetriebrechung LHC: Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgs Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede? Sandkorn.vs. Ozeandampfer? Masse (MeV/c²) ,1 1 0,01 0,001 0,0001 0, , E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 0, ,5? 0, , x10 5 2x Familie Up Typ Down Typ Lepton +/- Neutrino

41 Die Bedeutung der Teilchenmassen Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, ) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien Bindungsenergie steigt mit m e Atomdurchmesser fällt mit 1 / m e Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen Starker Kraft Elektromagn. Abstoßung der Quarks Massen(differenzen): m d -m u, m d - m e 41

42 Auswirkung von Änderungen Die Masse der Atome kommt nur ~1% aus Ruhemasse der Bausteine 99% aus Energie der Quarkbindung Ändern von m u,m d oder m e hätte kaum Effekt auf Atommassen kaum Effekt auf Materiedichte riesigen Effekt auf Verhalten der Materie Erniedrige m e auf MeV/c 2 Leben: 30m große e Riesenwesen auf Titan? Erniedrige m d m e um 1 MeV/c 2 ermöglicht Umwandlung des Wasserstoffs: keine Wasserstoff-Atome, n stabil Erniedrige m d m u um 2 MeV/c 2 Proton- und Deuteriumzerfall Keine Sterne nur neutrale Teilchen (n, γ, ν) p n W - e - ν e

43 Animation: Was wäre wenn Tatsächlicher Ablauf Kleinere W-Masse Kleinere d-quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: Download: Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, k wie ihre Werte zustande kamen. R.N. Cahn, The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life (1996) ph/ V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model (1997) ph/ v2 C. Hogan, Why the Universe is Just So (1999) Th Damour und J.F.Donoghue, Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding (2007)

44 Was ist Masse? Leeres Vakuum Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Higgshintergundfeld Teilchen werden durch WW mit dem Higgs-Hintergrund Hintergrund-Feld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt h von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab Higgs-Teilchen quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts!

45 Mechanische Analogie zur Higgs Produktion Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft:

46 Higgs Masse unbekannt: Higgs Suche bei ATLAS und CMS Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche m Zerfälle Nach Jahren gut verstandener Daten: (~ ) 13) Higgs Boson kann bei allen Massen entdeckt werden

47 Wirkungsquerschnitte Kollisionen/Sekunde L cm 2 s 1 in 2010 (~0.2 fb 1 im ersten Jahr) L = cm 2 s 1 ab 2011 (30 fb 1 in Jahren) L = cm 2 s 1 ab 2012? (100 fb 1 pro Jahr)

48 σ Anforderungen an den Trigger Rate WW-Rate Entdeckungen Untergrund Speicher-Rate Bei Design-Luminosität: Strahlkollisions-Rate: 40 MHz WechselWirkungs-Rate: ~ 1 GHz Speicher-Rate: ~ 200 Hz online -Reduktion: % Leistungsfähiger Trigger nötig: E T Selektion der seltenen Ereignisse aus der extrem untergrundreichen LHC Umgebung

49 Higgs Ereigniss: Longitudinale Projektion

50 Vorhersagekraft des Higgs- Mechanismus Ist die Higgs Hypothese überprüfbar? Ja! Entdecke Higgs Boson(en) und Messe ihre Zerfälle Lernen wir was Masse ist? Ja! Die Stärke der Kopplung ans Higgsfeld Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein! Außer: M W / M Z Verhältnis! Es stimmt auf besser als 1 1 Standardmodell Vorhersage: M W =(80.36 ± 0.02)GeV Direkte Messung: M W =(80.40 ± 0.03)GeV Differenz: Δ = (0.04 ± 0.04)GeV Fit der SM Higgs Masse: M H = ( )GeV

51 Massenmechanismus ohne Higgs? Standardmodell ohne Higgs verletzt Wahrscheinlichkeit < 1 1 W W NEUE PHYSIK W W Higgs wird bei LHC gefunden, wenn es existiert! Wenn nicht, muß der LHC etwas anderes finden! ( win( win-win ) Die Suche nach dem Ursprung der Masse wird in wenigen Jahren enden Präzise Vermessung beginnt jedoch erst danach (LHC+ILC) Dann erst haben wir die richtigen Fragen nach den Werten der Teilchenmassen

52 6.4) Materie-Antimaterie CP Symmetrie Antimaterie = Materie mit umgekehrten Ladungen (C) Genau genommen: auch gespiegelt (P) Teilchenphysik Experimente: CP Symmetrie fast immer perfekt CP-Verletzung im Standardmodell Quarks: klein, 1 Naturkonstante 1964: s-quarkss 1999: b-quarksb K 0 K 0 (K 0 -K 0 )/(K 0 +K 0 ) decaytime Ununterscheidbar Materie und Antimaterie Unterscheidbar! Bei Weitem nicht groß genug für f r Kosmologische CP Verletzung (Antimaterie hat nur ca. 99, % der Materie vernichtet) Neutrinos: noch unbekannt, Naturkonstanten Sind sie der Schlüssel zur Kosmologischen CP Asymmetrie? Immer nötig: n Teilchenmassen und mind. 3 Familien(!)

53 LHC: Neue Quark-Antiquark Asymmetrie? CP Verletzung bei Quarks mit 1 Parameter beschreibbar Sind alle Messungen damit verträglich? Spezialisiertes Experiment für f r b-quarks b nahe Strahl: BaBar & Belle D0/CDF II PEPII / KEKB Tevatron LHC Strahlen e + e - pp pp Ab Jahr s s (GeV( GeV) 10, σ bb / σ qq 1 / 4 1 / / 130 N qq / s (Hz) N bb / s (Hz) <Flugstrecke> 260 μm 450 μm μm Nach 1 Jahr verstandener Daten: weiterhin verträglich oder neue CP Asymmetrie? CP

54 6.5) Supersymmetrie? Botenteilchen mit den Eigenschaften von Materie? und anders herum

55 Die letzte fehlende Symmetrie! Würde helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösenl Relativ niedrige Higgs Masse Einbindung der Gravitation Vereinigung aller Kopplungen Leichtestes SUSY Teilchen stabil = Dunkle Materie (ca( 3000 /m 3 )? ATLAS & CMS: Direkte Erzeugung möglich m Nachweis: fehlende Energie LHCb: Virtueller Zwischenzustand Nachweis: sehr seltene b-zerfälle

56 K.Meier,, FSP Inauguration, Januar 2007

57 Symmetrien in der (Teilchen)physik Klassifizierung Beispiel: Gebundene Quark-Zustände Erhaltungsgrößen Beispiel: Noether Theorem, Ursache von Kräften Beispiel: lokale Umeichungen Vereinheitlichung der Naturkräfte Beispiel: Supersymmetrie Asymmetrien sind oft Hinweise auf tiefer liegende gebrochene Symmetrien!!

58 LHC - Die Symmetriemaschine: Das Fundament der Naturgesetze ist vermutlich eine perfekte, großartige Symmetrie